Природа тёмной материи · 2019-09-17 · В 2005 космический...

Космические лучимагистратура

Лекция 1

Москва

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

1

Магистратура

Введение

1) Вселенная и источники космических лучей

Общие представления о Метагалактике

Состав Метагалактики

Галактики

Наша Галактика

Эволюция звезды

Межзвёздная среда

Солнце и его магнитное поле

Межпланетная среда

Земля и её магнитное поле

Космические лучи в метагалактике

2


• Наблюдаемая Вселенная

Понятие в космологии Большого взрыва, описывающее часть Вселенной, являющуюся абсолютным

прошлым относительно наблюдателя. С точки зрения пространства, это область, из которой материя и

излучение успели бы за время существования Вселенной достичь нынешнего местоположения, то есть

быть наблюдаемой. Границей наблюдаемой Вселенной является космологический горизонт, объекты на

нём удаляются бесконечно быстро.

• Метагалактика

Часть наблюдаемой Вселенной, доступной для изучения современными астрономическими методами.

Расширяется по мере совершенствования приборов.

3


4

• Обзоры неба – фотометрические и/или спектральные наблюдения существенной части небесной сферы с

глубиной до нескольких сотен мегапарсек (z < 1).

Фотографические обзоры

POSS-I, POSS-II (Паломарская обсерватория, Калифорния, США)

ESO/SERC (Европейская южная обсерватория, Чили)

Цифровые обзоры

APM (Англо-австралийская обсерватория, Австралия)

DSS и DPOSS (цифровая обработка фотопластинок фотографических обзоров)

Цифровые фотометрические обзоры

2MASS (2 Micron All Sky Survey, США, Чили)

2dF, 6dF (2/6 degree Field Galaxy Redshift Survey, Англо-австралийская обсерватория, Австралия)

SDSS (Sloan Digital Sky Survey, Нью-Мексико, США)

• Глубокие поля – детальное изучение небольших участков небесной сферы с экспозицией от дней до

месяцев, что позволяет достичь глубины (z > 0.5).

Цифровые обзоры неба и глубокие поля


5

Цифровой обзор неба SDSS


6



7



8

Крупномасштабная структура Вселенной

Моделирование Millennium

Иллюстрация

Скопления

Стены

Пустоты

http://hipacc.ucsc.edu/Bolshoi.html

https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/

http://hipacc.ucsc.edu/Bolshoi.html

https://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/


9

Физические законы Метагалактики

• При анализе экспериментальных данных о

Метагалактике постулируется, что

фундаментальные законы природы (в частности,

законы физики), установленные и проверенные в

земных лабораториях, справедливы и для

Метагалактики.

• Все явления, наблюдаемые в Метагалактике,

могут быть объяснены на основе законов физики

вплоть до до планковских масштабов пространства

и времени. За пределами этих масштабов

классические представления о пространстве и

времени неприменимы, и следует учитывать, по-

видимому, квантование гравитации.

• Механизмы генерации и распространения

космических лучей в разных областях

Метагалактики должны быть одинаковы.

Зависимость относительного отклонения постоянной тонкой

структуры от гравитационной постоянной по наблюдению

белых карликов. https://www.mdpi.com/2218-1997/3/2/32

https://www.mdpi.com/2218-1997/3/2/32


10

Квазары – маяки Вселенной

Внегалактические объекты малого углового размера, отличающиеся большим радиоизлучением,

получили название квазаров - квазизвездных источников радиоизлучения.

Это наиболее удаленные объекты, которые удалось рассмотреть до настоящего времени. Квазары

испускают огромное количество энергии: их светимость в энергетических единицах составляет 1045 - 1063

эрг/с. Полная энергия квазаров за время их активной жизни (~108 лет) составляет 1061 - 1063 эрг.

Проникающее излучение квазаров «просвечивает» среду на пути от источника к наблюдателю.

Скорее всего квазарами являются активными

ядрами некоторых галактик с размерами не

более 1014 м.

Самый далекий открытый квазар

ULAS J1342+0928 с красным

смещение z=7.09; возраст

Вселенной тогда составлял всего

690 миллионов лет.

Цвет объясняется космологическим

красным смещением.


11

Квазары – источник космических лучей

Обладая колоссальным энергетическим

запасом, выделяя огромную энергию за малое

время, квазары способны укорять заряженные

частицы до очень высоких энергий

12


Расширение Метагалактики

Бесконечная и устойчивая Вселенная

• Парадокс Ольберса

• Космологическая константа

В 1922 года А. Фридман показал, что Вселенная не стационарна.

В 1929 году открыт закон Хаббла о расширении Вселенной (R > 10 Мпк = 3е23 м)

𝜐 = 𝐻𝑅

𝐻 𝑡 =ሶ𝑎(𝑡)

𝑎(𝑡)- постоянная Хаббла

𝑎(𝑡) – масштабный фактор Вселенной

13


Расширение Метагалактики

𝜐~𝑐 = 𝐻0𝑟

𝑅𝑀 =𝑐

𝐻0≈ 5000 Мпс

𝐻0 = 100ℎ км ∙ с ∙ Мпс

Сегодня самые далёкие наблюдаемые квазары удаляются от нас достигает 90% с. Поэтому радиус

Метагалактики можно оценить как

𝐼 𝑧 Τ𝐹 Ω~(1 + 𝑧)−4

Если значение приведённой постоянной Хаббла принять 0.75, то

Τ1 𝐻0 = Τ𝑅𝑀 𝜐~2 ∙ 1010 лет

На самом деле возраст Вселенной немного меньше, поскольку темп расширения менялся в течение

эволюции. С учётом этого, сегодня Вселенной ~13.75 млрд. лет.

С учётом красного смещения яркость объектов (и звёзд) будет падать с расстоянием по закону

И парадокс Ольберса разрешается.


14

Общие представления

Детали крупномасштабной структуры:

• Межгалактическое пространство.

Атомарный и молекулярный газ (в основном водород и гелий как первородные).

Пылевые частицы.

Внегалактические космические лучи.

Межгалактические магнитные поля.

• Галактики и межзвёздное пространство.

Звёзды и другие подобные объекты как составная часть галактик.

Атомарный и молекулярный газ (более сложный химический состав).

Пылевые частицы.

Галактические космические лучи.

Галактические и звёздные магнитные поля.

• Фоновое электромагнитное излучение

(в первую очередь имеет значение в масштабе Метагалактики).

15

Объекты Расстояние

Единицы измерения Световые годы км

Самая близкая звезда 4.3 4∙1013

Диаметр Млечного Пути 105 1018

Кластер галактик ≥106 >1019

Сверхскопления ≥108 >1021

Размер Метагалактики ≥1010 >1023


Размеры объектов


16

Реакции в межгалактической среде

Двигаясь от далёких объектов, космические лучи будут менять свой энергетический спектр,

1) совершая работу по расширению Вселенной

2) взаимодействуя с фоновым ЭМИ и межгалактическим веществом, рождая

вторичные космические лучи высокой энергии

Химический состав межгалактической среды

Фоновое ЭМИ

𝐶𝑅ℎ + 𝑝 𝐻𝑒 → ⋯+ фрагментация+ 𝜋, 𝐾, 𝑝, ഥp, 𝑛 + 𝐶𝑅 + ядра C𝑅 + 𝛾 → ⋯+ фоторасщепление

+ 𝑒±, 𝛾,υ(ഥυ), 𝜋, 𝐾, 𝑝(ഥp) + 𝐶𝑅

𝜋,𝐾 → 𝑒±, 𝛾, υn → 𝑝 + 𝑒− +υ

𝐶𝑅𝑙 + 𝑝 𝐻𝑒 → ⋯+ ЭМИ

Образованные

нестабильные частицы

также будут

распадаться

Галактики

17

Камертон Хаббла

Двигаясь от далёких объектов, космические лучи

неизбежно будут менять свой энергетический спектр,

1) совершая работу по расширению Вселенной

2) взаимодействуя с фоновым ЭМИ, рождая

вторичные космические лучи высокой энергии

+ Иррегулярные галактики I

Тип галактики определяет стадию её эволюции

и свойства объектов:

• нагрев межзвёздного газа.

• частоту звездообразования.

• частоту вспышек сверхновых.

• электромагнитные поля.

• и др.

В каждой галактике потоки космических лучей

разные.

Галактики имеют разный энергетический

запас для ускорения космических лучей.


18

Дисковые спиральные галактики

Иллюстрация Млечного пути


19

Структура Млечного путиВид сбоку (с ребра)

Вид сверху

В 2005 космический телескоп Spitzer показал, что центральная

перемычка нашей галактики является больше, чем считалось ранее.

Диск погружён в гало сферической формы, вокруг него располагается

сферическая корона, состоящая из старых звёзд и шаровых

скоплений, 90% которых находится на расстоянии менее 100 000 св.

лет от центра галактики.

Диск содержит газ и пыль, что затрудняет прохождение видимого

света, в нём идёт активное звездообразование (особенно в спиральных

рукавах, где плотность вещества повышена).

В гало звездообразование завершилось.


20

Общие схемы

Нормальные

звёзды

Вырожденные

звёзды


21

Коллапс

Что бы понять сформируется ли звезда, необходимо сравнить массу протопланетного облака с т.н.

массой Джинса.

Исход коллапса определяется пределом (массой) Чандрасекара, при котором принцип Паули

стремится прекратить гравитационное сжатие. Возникающее противодействующее давление

𝑝 = 𝐾𝜌 Τ4 3

При 𝜌 > 106 Τг см3 возникает равновесие сил гравитации и давления электронного газа.

Однако при слишком большой массе звезды сдержать гравитацию не удастся. Предельная масса

Чандрасекара

𝑀𝐶ℎ ≈ 1.5𝑀⨀( Τ𝜇𝑒 2)−2≈ 1.46𝑀⨀

где 𝜇𝑒 - молекулярная масса на 1 электрон.


22

Коллапс

Звёзды с массой меньше предела Чандрасекара становятся белыми карликами.

Состав от 4He до 40Ca

52Cr 56Fe 58Ni 59Co

µe 2.00 2.16 2.15 2.07 2.18

Τ𝑀𝐶ℎ 𝑀⨀ 1.46 1.24 1.26 1.36 1.22

Предел Чандрасекара можно выразить через фундаментальные мировые константы:

𝑀𝐶ℎ~(𝑐ℏ

𝐺𝑚𝑝Τ4 3) Τ3 2

1

𝜇𝑒2 = 𝑚𝑝(

𝑚𝑃𝑙

𝑚𝑝)3~𝑁𝑚𝑝

𝑚𝑃𝑙 = 1019 ГэВ – масса Планка

𝑁 = (𝑚𝑃𝑙

𝑚𝑝)3= (

1019

1ГэВ)3~1057 - число нуклонов типичной звезды

Если масса звезды больше предела Чандрасекара, но меньше 3 масс Солнца, то коллапс идёт в

нейтронную звезду.

В противном случае коллапс заканчивается превращением в чёрную дыру.


23

Источники космических лучей

Согласно современной Стандартной модели физики космических лучей основными объектами,

ответственными за формирование спектра и химического состава первичных КЛ являются:

• Сверхновые.

• Пульсары и чёрные дыры

(с аккреционными дисками и без них.).

• Слияния нейтронных звёзд.


24

Ускорение КЛ в сверхновых

Поиск доказательств ускорения

протонов в сверхновых долгое время

был ключевым вопросом в попытках

объяснить происхождение космических

лучей.

Спектры ЭМИ из двух остатков

сверхновых.

Наблюдения Fermi/LAT очень точно

соответствуют прогнозам гамма-

излучения от распада нейтрального

пиона, образованного ускоренной

адронной (p, He) компонентой в ударной

волне.


25

Ускорение КЛ пульсарами

Ускорение в присутствии или в отсутствии аккреционного

диска.

Частицы инжектируются в межзвёздную среду

после ускорения:

за счёт ЭДС в районе полюсов;

при перезамыканиях силовых линий, подверженных

возмущениями окружающей плазмы (кокона);

на ударной волне в струях.

Существует теория ускорения частиц в магнитосферах

вращающихся звёзд.

Подобные модели выглядят реалистично, однако содержат

множество плохо определённых параметров из-за

недостаточной проработки теории сверхсильных

магнитных полей.


26

Килоновые

Килоновая — это

астрономическое событие,

происходящее в двойных

звёздных системах при слиянии

двух нейтронных звёзд или

нейтронной звезды с чёрной

дырой.

Расчёты показывают, что наблюдаемый химический состав

космических лучей в Галактике может быть воспроизведён

только слияниями нейтронных звёзд.

Наблюдение килоновой

телескопом Хаббл.

Межзвездная среда

27

Характеристики межзвёздной среды

Распространяясь в Галактике, космические лучи будут менять свой энергетический спектр,

1) в процессе диффузии и доускорения

2) взаимодействуя с межгалактическим веществом, рождая

вторичные космические лучи

Фоновое ЭМИ

28

π0 распадγ

γγ

π±

распад

е-

p_

e±

`

Сверхновая

Межзвёздный газ

p, He,C, N, O

p, He, Li, Be, BC, N, O

Диффузия

Тормозное и синхротронное излучение, обратный

Комптон-эффект

Вторичноерождение(pp → X)

Гелиосфера

солнечная модуляция потоков заряженного

излучения низких энергий

Межзвездная среда

Реакции в межзвёздной среде

Межзвёздная среда

29

Реакции в межзвёздной среде (МС)

https://pdfs.semanticscholar.org/65c6/5c67ed56d1f536ce776f3b96d9d86b87f720.pdf?

_ga=2.69307666.326703365.1567421549-1053966403.1549730514

𝐶𝑅ℎ +МС → ⋯+ фрагментация 𝐶𝑅ℎ + фрагментация ядер МС + 𝜋,𝐾, 𝑝, ഥp, 𝑛 + 𝐶𝑅 + ядра

𝐶𝑅𝑙 +МС → ⋯+ ЭМИ + фоторасщепление ядер МС

Нуклиды только вторичного происхождения соответствуют значению по оси ординат ∼ 1.

Значение может быть > 1, если сечение, используемое для расчёта производства количества нуклида

завышается, так что рассчитанная доля вторичных ядер превышает общее измеренное в эксперименте

содержание.

Доля вторичных ядер при

энергии 200 МэВ/н., по данным

ACE/CRIS и расчётам в модели

Leaky Box.

https://pdfs.semanticscholar.org/65c6/5c67ed56d1f536ce776f3b96d9d86b87f720.pdf?_ga=2.69307666.326703365.1567421549-1053966403.1549730514

Солнце

30

Структура Солнца

Солнце

31

Солнечное динамо

Наблюдение магнитного поля

Солнца в короне по

синхротронному излучению в

УФ диапазоне

Магнитное поле Солнца

имеет около дипольную

форму на расстояниях до ~

радиуса звезды

Солнце

32

Солнечное магнитное поле

Солнечная активность, характеризуемая числом пятен

или числом Вольфа, имеет периодичность около 11 лет.

Каждые 22 года на Солнце меняется полярность

Солнечного магнитного диполя.

Существуют и другие Солнечные циклы.

Солнце

33

Перезамыкание силовых линий

Перезамыкание силовых линий приводит к выделению

энергии, которая передаётся частицам в окрестности.

Частицы ускоряются и приобретают энергию от ~10 МэВ до

единиц и даже десятков ГэВ – солнечные космические

лучи.

Режимов перезамыкания может быть множество.

Один из классических

способов перезамыкания

Усложнённый способ

перезамыкания

Солнце

34

Ускорение при вспышках на Солнце

Общая картина

формирования ударных

волн при перезамыкании

Области образования

рентгеновского излучения

Ускорение и инжекция частиц солнечной плазмы в подобных активных процессах приводи к

формированию компоненты солнечных космических лучей

Солнце

35

Ускорение при вспышках на Солнце

СКЛ как правило сопровождаются мягким и жёстким рентгеновским излучением.

Исключения – когда вспышки происходят на обратной стороне Солнца.

Солнце

36

«Вынос» СМП в МП пространство

Иллюстрация магнитного поля Солнца и формирования

нейтрального (гелиосферного) токового слоя

(в данном случае плоского).

Радиальная зависимость скорости

солнечного ветра (расчёты).

Ускоренная солнечная плазма увлекает за собой силовые линии магнитного поля,

унося их на большое расстояние от звезды и образуя область гелиосферы.


37

«Вынос» СМП в МП пространство

Широтная зависимость скорости

солнечного ветра по данным КА

Ulysses.

Токовый слой близок к плоскому только в периоды минимума

солнечной активности. В максимуме солнечной активности угол

наклона может достигать 70 градусов.

Иллюстрация волновой

поверхности токового слоя.

Земля попеременно оказывается в областях положительной и

отрицательной полярности СМП.

Взаимодействие солнечного ветра с токовым слоем тормозит поток плазмы и её скорость на низких

гелиоширотах становится ниже скорости на высоких гелиоширотах.

38


Магнитное поле в межпланетном пр-ве

Общая схема формирования

межпланетного магнитного поля.

Уравнения для напряжённости ММП

и скорости солнечного ветра в

различных областях межпланетного

пространства.


39

Магнитное поле в межпланетном пр-ве

Солнечное магнитное поле и солнечный ветер оказывают влияние на потоки галактических частиц внутри

гелиосферы – возникает эффект солнечной модуляции, т.е. зависимости потока галактических частиц от

солнечной активности.

Схема Гелиосферы

Межпланетное

магнитное поле

40


Ударные волны в гелиосфере

Ударные волны в гелиосфере могут приводить к двум эффектам:

• Форбуш-понижения, когда потоки ГКЛ не способны преодолеть плотное облако КВМ

и не достигают наблюдателя на орбите Земли.

• Дополнительное ускорение частиц на фронте ударной волны (доускорение).

Фотография коронального

выброса масс обсерваторией

SOHO.

Деформация силовых линий

межпланетного магнитного

поля и образование ударной

волны при КВМ.

41


Ударные волны в гелиосфере

Ударные волны могут быть вызваны не только КВМ, но и столкновением высокоскоростного солнечного

ветра, источником которого являются корональные дыры, со стационарным солнечным ветром.

Области образования таких ударных волн называются коротирующими областями.

Иллюстрация формирования

коротирующей области

Проявление ударной волны

от коротирующей области

Солнце

42

Аномальные космические лучи

Нейтральные атомы практически не «чувствуют» межпланетную

среду и могут достичь наблюдателя либо в нейтральном виде,

либо в отсутствии одного или нескольких электронов.

Испытав однократную ионизацию, такие частицы могут

быть ускорены на фронте гелиосферной ударной волны –

аномальные космические лучи.

Механизм образования

аномальных космических лучей

Иллюстрация движения

Солнечной системы через

остаток взрыва сверхновой 2

млрд. лет назад.

43

Солнце

Аномальные межгалактические КЛ

Подобно формированию аномальной

галактической компоненты КЛ возможно

образование и аномальной

межгалактической компоненты.

При этом атомарная компонента попадает

внутрь области ударной волны галактики,

ионизуется и ускоряется на внешней

галактической ударной волне, получая

возможность «просочиться» внутрь

Галактики.

44

Земля

Доускорение в межпланетной среде

На удалении от Земли магнитное поле

деформировано под воздействием плазмы

солнечного ветра. Магнитосфера сплюснута с

солнечной стороны и вытянута с

противоположной.

На малых расстояниях поле может быть

описано дипольным приближением. Ось

вращения Земли и ось магнитного диполя не

совпадают.

45

Земля

Геомагнитные координаты

Ось магнитного диполя не совпадает с

географической осью вращения Земли. Также

центр магнитного диполя смещён относительно

центра планеты.

Для описания движения частиц в магнитном поле

Земли вводятся геомагнитные координаты (r, λ, φ),

а также координаты Мак-Илвайна (L, B).

46

Земля

Геомагнитные координаты

Переход от геомагнитной к географической системе координат осуществляется набором преобразований.

На рисунке приведён вид магнитных

L-оболочек при срезе на высоте h = 350 км

в географической системе координат.

47

Земля

Альбедо и захват

Движение в магнитном поле Земли связано с

сохранением нескольких инвариантов движения:

• вращение частицы вокруг гиро центра;

• широтный дрейф;

• долготный дрейф.

48

Причина полярных сияний – ускорение и высыпания

электронов из внешнего радиационного пояса в

атмосферу в полярных областях, а также прямое

проникновение частиц СВ в магнитосферу.

Земля

Альбедо и захват

Основной механизм наполнения радиационных поясов – распад нейтронов альбедо.

По открытым силовым линиям образовавшиеся электрон и протон улетают в межпланетное пространство,

в противном случае возникают два варианта:

• движение по силовой линии с последующим быстрым поглощением в атмосфере – альбедо;

• захват магнитной ловушкой магнитного поля земли – радиационные пояса.

Космические лучи в Метагалактике

49

Источники космических лучей: итог

В потоке заряженных космических лучей, измеряемом на орбите Земли, можно выделить следующие

компоненты со своими химическими и энергетическими свойствами:

• Внегалактические космические лучи (ВГКЛ).

Первичные, ускоренные в крупных активных объектах, например, в квазарах.

Вторичные, образованные в реакциях ВГКЛ с межгалактической средой и фоновым ЭМИ.

Аномальные, образованные «обдиркой» в Галактике и ускорением на галактической головной ударной волне.

• Галактические космические лучи.

Первичные, ускоренные в активных объектах, например, в сверхновых или микроквазарах.

Вторичные, образованные в реакциях ГКЛ с межзвёздной средой.

Аномальные, образованные «обдиркой» в гелиосфере и ускорением на гелиосферной головной ударной волне.

• Солнечные космические лучи.

• Космические лучи в магнитном поле Земли (альбедо и захваченная компонента).

Природа тёмной материи · 2019-09-17 · В 2005 космический...

Documents